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【摘要】文章围绕着岩溶隧道施工关键技术，结合某工程实例，主要介绍了施工过程中采取的技术手段，希望对相对专业技术人员的工作起到借鉴作用。
【关键词】岩溶隧道；施工；关键技术
中图分类号：U455文獻标识码：A文章编号：
引言
岩溶是地表水和地下水经过不断的补给、径流、渗透和循环对可溶性岩层进行化学溶解作用和机械破坏作用的产物。岩石的可溶性和裂隙性以及水的侵蚀性和流通性是岩溶发育的基本条件。由于水的存在以及水的流通循环与岩溶相生相伴、发生发展、密不可分,这就给岩溶地区的隧道施工带来了极大的困难。岩溶对隧道工程的主要影响有:洞害、水害、洞穴充填物及坍塌、洞顶地表塌陷等几个方面,而尤其以高压富水、深埋充填型溶洞施工中极易爆发的大型突水、突泥、涌砂对隧道施工影响为最甚。
1 工程简介
某隧道全长11 070 m，穿越地区主要地质构造为毛坝向斜和桐麻岭背斜。其主要不良地质为深埋充填型溶洞、岩溶突泥、突水、断层破碎带、煤层瓦斯和石油天然气等。特别是由于毛坝向斜为罕见的锅状封闭向斜,使得该段岩溶水及其溶洞充填物呈高压存在,施工过程中曾发生过大规模爆喷,给工程施工带来很大危害。毛坝向斜段地质情况如图1所示。
图1圆梁山隧道毛坝向斜地质纵断面图(单位:mm)
该隧道的主要技术问题为:
(1)岩溶发育情况的准确预报;(2)富水高压充填性溶洞溶洞充填物的注浆加固;(3)富水高压溶洞段的施工;(4)隧道修建引起的高压岩溶水重分布的岩溶水后处理;(5)隧道修建可能引起的环境变化。其主要施工难点为如何进行准确的超前地质预报及富水高压溶洞段施工。
2 过程中采取的主要技术手段
2.1地质预报
进行地质预报的目的一是避免施工期间地质灾害的发生造成人身及财产的不必要损失,二是通过分析地质预报结果必要时对设计进行调整。目前的主要手段为地质素描、物探、钻探及洞探,其可靠性也基本上是依该先后顺序依次较高。但在岩溶地区对于岩溶或溶洞的预报仅靠某一单一手段是很难做到准确预报的,以下是目前常用的主要技术手段及其优缺点,以供综合采用时参考。
2.1.1 (TSP203)超前地质预报
1、优点：(1)适用范围广。适用于极软岩至极硬岩的任何地质情况。(2)预报距离长。能预报掌子面前方100~350 m范围内的地质状况,围岩越硬越完整预报长度就越大。(3)对隧道施工干扰小。它可在隧道施工间隙进行,即使专门安排此项工作,也只需30 min左右。(4)提交资料及时。在现场采集数据的第2天即可提交正式成果报告。
2、缺点：(1)预报准确性:其预报地质体距离掌子面的位置是根据24个爆破孔与接收器之间的弹性波速度的平均值和地质体反射波到达接收器的时间来确定的,由于弹性波速度的差异而导致地质体预报位置与实际情况有所差异。
(2)预报精度:它所能反映出的地质体的宽度是根据采样间隔和岩体弹性波速度来确定的,如采样间隔取80μs,弹性波速度为5 000m/s,则能预报出的地质体的宽度为0. 4 m。
(3)预报断层、弱硬岩接触面等面状结构反射信号较为明显,而预报溶洞等点状地质体则不尽如人意,因其预报原理和计算模型是以平面为计算依据,对宽度小于0. 4 m的小型溶洞反映不明显。
2.1.2 地质雷达
1、优点：(1)在地表探测5~30 m范围内的地下地层或地质异常体(溶洞、断裂、空隙等)反射信号比较明显;灰岩地区隧道铺底前采用中~低频率的天线可作为探明隧底隐伏岩溶洞穴的手段。
(2)采用高频率的天线进行隧道混凝土衬砌质量无损检测比较理想。
2、缺点：(1)仪器密封性差,易造成仪器损坏,操作起来费时费力,探测距离短,效果不好。(2)隧道内的环境条件与地质雷达的理论基础——半无限空间不吻合,加之洞内钢拱架、钢筋网、锚杆、钢轨等金属构件的影响,探测结果一般不太理想。
2.2 富水高压充填性溶洞溶洞充填物的注浆加固
富水高压充填性溶洞的开挖在不进行预加固的情况下是无法进行的,而在富水高压的情况下进行注浆同样很难做到,在充填物为粉细砂或流塑状粘土的情况下高压水使得成孔都很困难,必须有控制的边泄水减压,边钻空注浆,圆梁山隧道采用的是平导减压正洞注浆或正洞减压平导注浆的方法,排水点距注浆点30 m。经现场多次注浆试验确定,其主要注浆参数如表1所示。
表1主要注浆参数表
注浆材料在通常情况下,选用普通水泥-水玻璃双液浆;特殊情况下,可选用超细水泥-水玻璃双液浆或TGRM以及HSC浆液。水泥-水玻璃浆液配比为W∶C=(0.8~1)∶1,C∶S=1∶1,水玻璃浓度为35Bé。采用前进式分段注浆,注浆顺序采用间隔跳孔、跳排,由下往上、由外到内的原则,实施挤密型注浆,当注浆压力达到终压,流量小于5 L/min时,可结束注浆。
2号溶洞正洞DK 354+455处自2003年8月13日开始实施全断面超前帷幕注浆,到2003年11月8日结束,共完成注浆孔123个,注浆量9 100. 29 m3,加固了地层,改善了地质条件,为2#溶洞的最终攻克打下了基础。
2.3 富水高压溶洞段的施工
铁路长大隧道一般是全线工期控制工程,当遇到不良地质如岩溶地区遇到溶洞或规模较大的断层时进度必然受阻而影响工期,必须通过增设辅助导坑,形成不良地质段处理和一般地段平行施工的局面。这一方面可以降低不良地质段施工难度、保证工期,另一方面可以增加生产运输通道、保证施工安全。
2.4 隧道修建引起的高压岩溶水重分布的岩溶水后处理
该隧道为富水高压岩溶隧道,由于注浆不可能达到注浆加固圈均匀如一全部封堵输水通道,由于隧道的修建改变了地层水的输送环境,二次衬砌全部完成后岩溶水必将进行重新分布。该隧道是先完成正洞衬砌,后进行平导衬砌,且平导、横通道设计防水等级及抗水压值低于正洞。当平导高压富水区衬砌施工完毕后,由于岩溶水完全封堵在衬砌以外(或排水盲管排水能力小于来水量),使得岩溶水发生重分布,随着水压升高,高压水首先击溃强度薄弱的平导,2#、3#溶洞先后发生大规模涌水涌沙,由于2#溶洞涌水泥沙含量低,后期按照“堵浑排清”的原则对其施做泄水洞,而对3#溶洞根据其涌水泥沙含量较大的情况采用注浆封堵的方案进行了整治。
2.5 对隧道修建可能引起的环境变化的监控
通过对隧道通过地区影响范围分析,确定影响范围内可能发生变化的泉点、地下暗河作为观测点,观测施工前后水量水位的变化,同时也监测洞内涌水量与地表降雨的关系及隧道排水对地表植被的影响和地表塌陷情况。
隧道通过区毛坝向斜地段地表井泉点、地下暗河出口分布如图1所示。
图1 道轴线较近的地表井泉点、悬挂泉分布示意图
3 结论
(1)鉴于岩溶地区准确的进行溶洞探测采用单一手段还比较困难,岩溶地区隧道施工地质预报应采用综合超前地质预报,应在区域地质分析的基础上首选TSP203进行长距离探测,辅以红外线探水,地质异常时施做超前钻孔。若设平行导坑,可充分利用平导超前探明地质情况;若遇到富水高压溶洞,设置迂回导坑是非常必要的。
(2)对于岩溶隧道,当开挖通过后,在施做隧底混凝土前应采用地质雷达,必要时施做垂直钻孔进行潜伏溶洞探测,发现空腔或破碎带应予加固。
(3)岩溶地区,特别是有高压水存在时,进行隧道衬砌设计,辅助坑道与正洞其防排水等级可以不同,但其抗水压承载能力应保持一致。
(4 )富水高压溶洞在其两端应设置加强隔离措施,适当分仓,防止岩溶水纵向或横向窜流。
(5)溶洞水一般由大气降雨补给,从某一排泄口很快排出,对于溶洞水在进行隧道的防排水设计时应坚决地排,不会因排泄溶洞水对环境造成危害。
参考文献
[1]马慧勇.岩溶地区隧道工程中地质预报的综合应用[J]. 四川建材. 2011(03)
[2]李围.公路隧道岩溶超前探测技术及突水防治原则研究[J]. 贵州大学学报(自然科学版). 2010(04)
[3]王公忠.高压、富水岩溶隧道施工地质预报探讨[J]. 现代隧道技术. 2010(04)
【关键词】岩溶隧道；施工；关键技术
中图分类号：U455文獻标识码：A文章编号：
引言
岩溶是地表水和地下水经过不断的补给、径流、渗透和循环对可溶性岩层进行化学溶解作用和机械破坏作用的产物。岩石的可溶性和裂隙性以及水的侵蚀性和流通性是岩溶发育的基本条件。由于水的存在以及水的流通循环与岩溶相生相伴、发生发展、密不可分,这就给岩溶地区的隧道施工带来了极大的困难。岩溶对隧道工程的主要影响有:洞害、水害、洞穴充填物及坍塌、洞顶地表塌陷等几个方面,而尤其以高压富水、深埋充填型溶洞施工中极易爆发的大型突水、突泥、涌砂对隧道施工影响为最甚。
1 工程简介
某隧道全长11 070 m，穿越地区主要地质构造为毛坝向斜和桐麻岭背斜。其主要不良地质为深埋充填型溶洞、岩溶突泥、突水、断层破碎带、煤层瓦斯和石油天然气等。特别是由于毛坝向斜为罕见的锅状封闭向斜,使得该段岩溶水及其溶洞充填物呈高压存在,施工过程中曾发生过大规模爆喷,给工程施工带来很大危害。毛坝向斜段地质情况如图1所示。
图1圆梁山隧道毛坝向斜地质纵断面图(单位:mm)
该隧道的主要技术问题为:
(1)岩溶发育情况的准确预报;(2)富水高压充填性溶洞溶洞充填物的注浆加固;(3)富水高压溶洞段的施工;(4)隧道修建引起的高压岩溶水重分布的岩溶水后处理;(5)隧道修建可能引起的环境变化。其主要施工难点为如何进行准确的超前地质预报及富水高压溶洞段施工。
2 过程中采取的主要技术手段
2.1地质预报
进行地质预报的目的一是避免施工期间地质灾害的发生造成人身及财产的不必要损失,二是通过分析地质预报结果必要时对设计进行调整。目前的主要手段为地质素描、物探、钻探及洞探,其可靠性也基本上是依该先后顺序依次较高。但在岩溶地区对于岩溶或溶洞的预报仅靠某一单一手段是很难做到准确预报的,以下是目前常用的主要技术手段及其优缺点,以供综合采用时参考。
2.1.1 (TSP203)超前地质预报
1、优点：(1)适用范围广。适用于极软岩至极硬岩的任何地质情况。(2)预报距离长。能预报掌子面前方100~350 m范围内的地质状况,围岩越硬越完整预报长度就越大。(3)对隧道施工干扰小。它可在隧道施工间隙进行,即使专门安排此项工作,也只需30 min左右。(4)提交资料及时。在现场采集数据的第2天即可提交正式成果报告。
2、缺点：(1)预报准确性:其预报地质体距离掌子面的位置是根据24个爆破孔与接收器之间的弹性波速度的平均值和地质体反射波到达接收器的时间来确定的,由于弹性波速度的差异而导致地质体预报位置与实际情况有所差异。
(2)预报精度:它所能反映出的地质体的宽度是根据采样间隔和岩体弹性波速度来确定的,如采样间隔取80μs,弹性波速度为5 000m/s,则能预报出的地质体的宽度为0. 4 m。
(3)预报断层、弱硬岩接触面等面状结构反射信号较为明显,而预报溶洞等点状地质体则不尽如人意,因其预报原理和计算模型是以平面为计算依据,对宽度小于0. 4 m的小型溶洞反映不明显。
2.1.2 地质雷达
1、优点：(1)在地表探测5~30 m范围内的地下地层或地质异常体(溶洞、断裂、空隙等)反射信号比较明显;灰岩地区隧道铺底前采用中~低频率的天线可作为探明隧底隐伏岩溶洞穴的手段。
(2)采用高频率的天线进行隧道混凝土衬砌质量无损检测比较理想。
2、缺点：(1)仪器密封性差,易造成仪器损坏,操作起来费时费力,探测距离短,效果不好。(2)隧道内的环境条件与地质雷达的理论基础——半无限空间不吻合,加之洞内钢拱架、钢筋网、锚杆、钢轨等金属构件的影响,探测结果一般不太理想。
2.2 富水高压充填性溶洞溶洞充填物的注浆加固
富水高压充填性溶洞的开挖在不进行预加固的情况下是无法进行的,而在富水高压的情况下进行注浆同样很难做到,在充填物为粉细砂或流塑状粘土的情况下高压水使得成孔都很困难,必须有控制的边泄水减压,边钻空注浆,圆梁山隧道采用的是平导减压正洞注浆或正洞减压平导注浆的方法,排水点距注浆点30 m。经现场多次注浆试验确定,其主要注浆参数如表1所示。
表1主要注浆参数表
注浆材料在通常情况下,选用普通水泥-水玻璃双液浆;特殊情况下,可选用超细水泥-水玻璃双液浆或TGRM以及HSC浆液。水泥-水玻璃浆液配比为W∶C=(0.8~1)∶1,C∶S=1∶1,水玻璃浓度为35Bé。采用前进式分段注浆,注浆顺序采用间隔跳孔、跳排,由下往上、由外到内的原则,实施挤密型注浆,当注浆压力达到终压,流量小于5 L/min时,可结束注浆。
2号溶洞正洞DK 354+455处自2003年8月13日开始实施全断面超前帷幕注浆,到2003年11月8日结束,共完成注浆孔123个,注浆量9 100. 29 m3,加固了地层,改善了地质条件,为2#溶洞的最终攻克打下了基础。
2.3 富水高压溶洞段的施工
铁路长大隧道一般是全线工期控制工程,当遇到不良地质如岩溶地区遇到溶洞或规模较大的断层时进度必然受阻而影响工期,必须通过增设辅助导坑,形成不良地质段处理和一般地段平行施工的局面。这一方面可以降低不良地质段施工难度、保证工期,另一方面可以增加生产运输通道、保证施工安全。
2.4 隧道修建引起的高压岩溶水重分布的岩溶水后处理
该隧道为富水高压岩溶隧道,由于注浆不可能达到注浆加固圈均匀如一全部封堵输水通道,由于隧道的修建改变了地层水的输送环境,二次衬砌全部完成后岩溶水必将进行重新分布。该隧道是先完成正洞衬砌,后进行平导衬砌,且平导、横通道设计防水等级及抗水压值低于正洞。当平导高压富水区衬砌施工完毕后,由于岩溶水完全封堵在衬砌以外(或排水盲管排水能力小于来水量),使得岩溶水发生重分布,随着水压升高,高压水首先击溃强度薄弱的平导,2#、3#溶洞先后发生大规模涌水涌沙,由于2#溶洞涌水泥沙含量低,后期按照“堵浑排清”的原则对其施做泄水洞,而对3#溶洞根据其涌水泥沙含量较大的情况采用注浆封堵的方案进行了整治。
2.5 对隧道修建可能引起的环境变化的监控
通过对隧道通过地区影响范围分析,确定影响范围内可能发生变化的泉点、地下暗河作为观测点,观测施工前后水量水位的变化,同时也监测洞内涌水量与地表降雨的关系及隧道排水对地表植被的影响和地表塌陷情况。
隧道通过区毛坝向斜地段地表井泉点、地下暗河出口分布如图1所示。
图1 道轴线较近的地表井泉点、悬挂泉分布示意图
3 结论
(1)鉴于岩溶地区准确的进行溶洞探测采用单一手段还比较困难,岩溶地区隧道施工地质预报应采用综合超前地质预报,应在区域地质分析的基础上首选TSP203进行长距离探测,辅以红外线探水,地质异常时施做超前钻孔。若设平行导坑,可充分利用平导超前探明地质情况;若遇到富水高压溶洞,设置迂回导坑是非常必要的。
(2)对于岩溶隧道,当开挖通过后,在施做隧底混凝土前应采用地质雷达,必要时施做垂直钻孔进行潜伏溶洞探测,发现空腔或破碎带应予加固。
(3)岩溶地区,特别是有高压水存在时,进行隧道衬砌设计,辅助坑道与正洞其防排水等级可以不同,但其抗水压承载能力应保持一致。
(4 )富水高压溶洞在其两端应设置加强隔离措施,适当分仓,防止岩溶水纵向或横向窜流。
(5)溶洞水一般由大气降雨补给,从某一排泄口很快排出,对于溶洞水在进行隧道的防排水设计时应坚决地排,不会因排泄溶洞水对环境造成危害。
参考文献
[1]马慧勇.岩溶地区隧道工程中地质预报的综合应用[J]. 四川建材. 2011(03)
[2]李围.公路隧道岩溶超前探测技术及突水防治原则研究[J]. 贵州大学学报(自然科学版). 2010(04)
[3]王公忠.高压、富水岩溶隧道施工地质预报探讨[J]. 现代隧道技术. 2010(04)